최근 러시아 과학 아카데미 응용물리학 연구소는 극초단파 광 연구를 위한 엑사와트 센터(XCELS)를 설립했습니다. 이 센터는 극초단파 광 기반의 대형 과학 장비 개발을 위한 연구 프로그램입니다.고출력 레이저이 프로젝트에는 매우 중요한 건설이 포함됩니다.고출력 레이저대구경 인산이수소칼륨(DKDP, 화학식 KD2PO4) 결정에서 광학 파라메트릭 처프 펄스 증폭 기술을 기반으로 하며, 예상 총 출력은 600 PW 피크 파워 펄스입니다. 본 연구는 XSELS 프로젝트 및 해당 레이저 시스템에 대한 중요한 세부 정보와 연구 결과를 제공하며, 초강력 광장 상호작용과 관련된 응용 분야 및 잠재적 영향에 대해 설명합니다.
XSELS 프로그램은 2011년에 제안되었으며, 초기 목표는 최대 전력 생산량 달성이었습니다.원자 램프펄스 출력은 200PW였으나 현재 600PW로 업그레이드되었습니다.레이저 시스템세 가지 핵심 기술에 의존합니다.
(1) 기존의 처프 펄스 증폭(CPA) 기술 대신 광학 파라메트릭 처프 펄스 증폭(OPCPA) 기술이 사용됩니다.
(2) DKDP를 이득 매질로 사용하면 910nm 파장 근처에서 초광대역 위상 정합이 실현됩니다.
(3) 수천 줄의 펄스 에너지를 갖는 대구경 네오디뮴 유리 레이저가 파라메트릭 증폭기를 펌핑하는 데 사용됩니다.
초광대역 위상 정합은 많은 결정에서 널리 발견되며 OPCPA 펨토초 레이저에 사용됩니다. DKDP 결정은 수십 센티미터의 개구부로 성장시킬 수 있으면서 동시에 수 페타와트(PW)급 출력 증폭을 지원할 수 있는 적절한 광학적 특성을 갖는 유일한 재료이기 때문에 사용됩니다.레이저DKDP 결정에 ND 유리 레이저의 이중 주파수 광을 펌핑할 때, 증폭된 펄스의 캐리어 파장이 910 nm이면 파동 벡터 불일치의 테일러 전개에서 처음 세 항이 0이 되는 것으로 나타났다.
그림 1은 XCELS 레이저 시스템의 개략적인 구성도입니다. 프런트 엔드는 중심 파장이 910 nm인 처프 펨토초 펄스(그림 1의 1.3)와 1054 nm 나노초 펄스를 생성하여 OPCPA 펌핑 레이저에 주입합니다(그림 1의 1.1 및 1.2). 프런트 엔드는 또한 이러한 펄스들의 동기화뿐만 아니라 필요한 에너지 및 시공간 매개변수를 보장합니다. 더 높은 반복률(1 Hz)로 작동하는 중간 OPCPA는 처프 펄스를 수십 줄(Joule)까지 증폭합니다(그림 1의 2). 이 펄스는 부스터 OPCPA에 의해 추가로 증폭되어 단일 킬로줄(KJ) 빔이 되고, 12개의 동일한 서브 빔으로 분할됩니다(그림 1의 4). 최종 12개의 OPCPA에서, 12개의 처프된 광 펄스 각각은 킬로줄 수준(그림 1의 5)으로 증폭된 후 12개의 압축 격자(그림 1의 GC 6)에 의해 압축됩니다. 음향광학 프로그래밍 가능 분산 필터는 프런트 엔드에서 군속도 분산과 고차 분산을 정밀하게 제어하여 가능한 최소 펄스 폭을 얻기 위해 사용됩니다. 펄스 스펙트럼은 거의 12차 슈퍼가우스 형태를 가지며, 최대값의 1%에서의 스펙트럼 대역폭은 150nm로, 푸리에 변환 한계 펄스 폭은 17fs에 해당합니다. 파라메트릭 증폭기에서 불완전한 분산 보상과 비선형 위상 보상의 어려움을 고려할 때, 예상되는 펄스 폭은 20fs입니다.
XCELS 레이저는 8채널 UFL-2M 네오디뮴 유리 레이저 주파수 배가 모듈 2개(그림 1의 3번)를 사용하며, 이 중 13개 채널은 부스터 OPCPA를, 나머지 12개 채널은 최종 OPCPA를 펌핑하는 데 사용됩니다. 나머지 3개 채널은 독립적인 나노초 킬로줄 펄스 출력에 사용됩니다.레이저 소스다른 실험의 경우, DKDP 결정의 광학적 파괴 임계값에 의해 제한되어, 펌핑 펄스의 조사 강도는 각 채널당 1.5 GW/cm2로 설정되었고, 펄스 지속 시간은 3.5 ns입니다.
XCELS 레이저의 각 채널은 50 PW의 출력으로 펄스를 생성합니다. 총 12개의 채널이 600 PW의 총 출력 파워를 제공합니다. 메인 타겟 챔버에서 이상적인 조건 하에 각 채널의 최대 집속 강도는 F/1 집속 소자를 사용한다고 가정할 때 0.44×10²⁵ W/cm²입니다. 만약 각 채널의 펄스를 후처리 압축 기술을 통해 2.6 fs로 추가 압축하면, 해당 출력 펄스 파워는 230 PW로 증가하며, 이는 2.0×10²⁵ W/cm²의 광 강도에 해당합니다.
더 높은 광 강도를 얻기 위해 600 PW 출력에서 12개 채널의 광 펄스는 그림 2에 나타낸 바와 같이 역 쌍극자 복사 구조로 집속됩니다. 각 채널의 펄스 위상이 고정되지 않은 경우, 집속 강도는 9×10²⁵ W/cm²에 도달할 수 있습니다. 각 펄스의 위상이 고정되고 동기화되면, 결맞음 합성 광 강도는 3.2×10²⁶ W/cm²까지 증가합니다. 주 목표실 외에도, XCELS 프로젝트는 최대 10개의 사용자 연구실을 포함하며, 각 연구실은 실험을 위해 하나 이상의 빔을 받습니다. 이처럼 매우 강력한 광장을 이용하여 XCELS 프로젝트는 다음과 같은 네 가지 범주의 실험을 수행할 계획입니다. 고강도 레이저장에서의 양자 전기역학적 과정; 입자의 생성 및 가속; 2차 전자기 복사 발생; 실험실 천체물리학, 고에너지 밀도 과정 및 진단 연구.
그림 2. 주 표적 챔버의 초점 형상. 명확성을 위해 빔 6의 포물선 거울은 투명하게 설정되어 있으며, 입력 및 출력 빔은 채널 1과 7 두 개만 표시됩니다.
그림 3은 실험 건물 내 XCELS 레이저 시스템의 각 기능 영역의 공간 배치도를 보여줍니다. 전기, 진공 펌프, 수처리, 정화 및 공조 설비는 지하에 위치해 있습니다. 총 건축 면적은 24,000m²가 넘으며, 총 전력 소비량은 약 7.5MW입니다. 실험 건물은 내부 중공 구조의 전체 골조와 외부 부분으로 구성되어 있으며, 각각 두 개의 분리된 기초 위에 세워졌습니다. 진공 및 기타 진동 유발 시스템은 진동 차단 기초 위에 설치되어 기초와 지지대를 통해 레이저 시스템에 전달되는 교란의 진폭이 1~200Hz 주파수 범위에서 10⁻¹⁰ g²/Hz 미만으로 감소되었습니다. 또한, 레이저 홀에는 지반 및 장비의 변위를 체계적으로 모니터링하기 위해 측지 기준점 네트워크가 설치되어 있습니다.
XCELS 프로젝트는 초고출력 레이저를 기반으로 하는 대규모 과학 연구 시설 구축을 목표로 합니다. XCELS 레이저 시스템의 한 채널은 10²⁴ W/cm²보다 수 배 높은 집속 광 강도를 제공할 수 있으며, 후압축 기술을 사용하면 10²⁵ W/cm²까지 높일 수 있습니다. 레이저 시스템의 12개 채널에서 나오는 펄스를 쌍극자 집속하면 후압축 및 위상 동기화 없이도 10²⁶ W/cm²에 가까운 강도를 얻을 수 있습니다. 채널 간 위상 동기화가 이루어지면 광 강도는 몇 배 더 높아집니다. 이러한 기록적인 펄스 강도와 다중 채널 빔 구조를 활용하여 미래의 XCELS 시설은 초고강도, 복잡한 광장 분포를 이용한 실험을 수행하고, 다중 채널 레이저 빔과 2차 복사를 이용한 상호작용을 분석할 수 있을 것입니다. 이는 초강력 전자기장 실험 물리학 분야에서 독보적인 역할을 할 것입니다.
게시 시간: 2024년 3월 26일